Слияния нейтронных звезд прольют свет на природу кварковой материи

Нейтронные звезды — массивные и компактные остатки старых звезд, которые образуются после вспышки сверхновой. В двойных звездах порой оба светила превращаются в нейтронные звезды. Иногда их остатки сближаются и сливаются, создавая мощные гравитационные волны. От близкого гравитационного взаимодействия друг с другом звезды нагреваются, форма их искривляется, материя внутри сжимается еще больше. В таких экстремальных условиях протоны и нейтроны распадаются, образуя кварковую материю. Кстати, по расчетам, с вероятностью 80-90 процентов такая материя есть и внутри «спокойных» нейтронных звезд. И пока исследователи не понимают, как работать с этой материей даже в рамках теоретических расчетов.

Астрофизикам важно понимать, как ведет себя кварковая материя на последнем этапе слияния двух нейтронных звезд, чтобы правильно расшифровывать гравитационные волны от таких событий.

«Для теоретиков описание слияний нейтронных звезд — крайне сложная задача, потому что, исходя из опыта, все традиционные теоретические методы так или иначе ломаются в этих экстремальных, зависящих от времени системах», — объяснил профессор Алекси Вуоринен (Aleksi Vuorinen) из Хельсинкского университета (Финляндия).

Чтобы расшифровать гравитационные волны, нужны точные модели слияний нейтронных звезд. Для создания этих моделей необходимы формулы диссипации (рассеяния) и распределения энергии в материи нейтронной звезды в таких экстремальных условиях. Их главный коэффициент — объемная вязкость, описывающая потери энергии в системе, плотность в которой регулярно меняется, то есть материя в ней сжимается и разжимается. Именно это происходит с кварковой материей внутри близко кружащихся нейтронных звезд.

Объемная вязкость кварковой материи сильно зависит от взаимодействий между кварками. Тем не менее разброс значений тут меньше, чем между кварковой и ядерной материей. Значит, по объемной вязкости можно выявлять образование кварковой материи в слияниях нейтронных звезд.

В новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, ученые вывели объемную вязкость кварковой материи по двум теориям: голографической дуальности и теории возмущений. В первой метод не позволяет напрямую описать кварковую материю, зато он работает на модели с почти теми же свойствами. Вторая теория как раз работает с кварковой материей, но только когда та находится в еще более плотном состоянии, чем в нейтронных звездах.

Авторы работы определили термодинамический отклик кварковой материи на изменения в соотношениях ароматов кварков. Оказалось, что внутри нейтронных звезд (в диапазоне их температур и плотностей) именно взаимодействия и изменения ароматов кварков определяют зависимость кварковой материи от температуры. По этим теоретическим расчетам исследователи вывели формулу объемной вязкости для кварковой материи.

Важно, что две рассмотренные учеными теории дали схожие формулы. Так удалось подтвердить, что пик объемной вязкости кварковой материи происходит при более низких температурах, чем у ядерной материи. Полученные формулы позволят создать точные модели слияния нейтронных звезд.

«Также эти выводы помогут интерпретировать результаты наблюдений. Мы можем, к примеру, найти эффекты вязкости в будущих данных по гравитационным волнам, и их отсутствие покажет нам, что в слиянии нейтронных звезд образовалась кварковая материя», — объяснил Нико Джокело, один из авторов новой работы.